DE3120963A1

DE3120963A1 - Elektrochemische zellen, insbesondere geeignet zur herstellung von zink

Info

Publication number: DE3120963A1
Application number: DE19813120963
Authority: DE
Inventors: Renato Guerriero; Italo Mestre Venezia Vittadini
Original assignee: SAMIM SpA; Samim SpA Roma
Current assignee: NUOVA SAMIM SpA MAILAND/MILANO IT
Priority date: 1980-05-26
Filing date: 1981-05-26
Publication date: 1982-04-01
Also published as: GB2076856B; CA1163958A; IT1130756B; NL180605C; DK216081A; NL180605B; IE811155L; NL8102587A; FR2482983B1; DE3120963C2; GR75232B; JPS579892A; FR2482983A1; IT8022312A0; LU83385A1; GB2076856A; IE51293B1; BE888954A

Description

SAMIM Societä Azionaria Minero Metallurgica S.p.A.

Rom / Italien

Elektrochemische Zellen, insbesondere geeignet zur Herstellung

von Zink

Die Erfindung betrifft industrielle elektrolytische Zellen und insbesondere elektrolytische Zellen, die zur Herstellung von Zink verwendet werden. Die Erfindung stellt eine Verbesserung solcher elektrolytischer Zellen dar, die auf verschiedene elektrolytische Verfahren angewendet werden können, bei denen Gase entwickelt werden, ist jedoch besonders geeignet für die Verfahren zur elektrolytischen Herstellung von Zink.

In der vorliegenden Beschreibung wird insbesondere auf die Herstellung von Zink Bezug genommen, es versteht sich jedoch, daß die Erfindung auch vorteilhaft auf andere industrielle elektrolytische Verfahren angewendet werden kann.

Bekanntlich umfaßt die Herstellung von Zink primär verschiedene Stufen, bei denen eine hochgereinigte saure Lösung eines Zinksalzes, im allgemeinen von Zinksulfat, erhalten wird, das in der Endstufe zu metallischem Zink durch Elektrolyse reduziert wird.

Derartige elektrolytische Zellen bestehen aus Wannen, in denen zahlreiche gegenüberliegend angeordnete Anoden und Kathoden vorhanden sind. In der Regel bestehen die Anoden aus Blei und die Kathoden aus Aluminium. Metallisches Zink wird an der Kathode abgelagert und bildet eine dünne Folie, die von Zeit zu Zeit durch Abtrennen entfernt wird, was im allgemeinen das Eingreifen von Bedienungspersonal erforderlich macht. Die Zwischenelektroden-Öffnungen, die zwischen benachbart angeordneten Elektroden vorliegen, müssen soweit wie durchführbar verringert werden, um den Spannungsverlust durch die Lösung zu begrenzen, der proportional zu den Zwischenelektroden-Öffnungen bzw. -Abständen ist: Die Elektroden müssen außerdem genau parallel zueinander angeordnet sein, um eine gleichmäßige Abscheidung an der gesamten Kathodenoberfläche und somit eine gut geformte Folie zu erzielen.

Die primären und sekundären Reaktionen, die in einem solchen elektrochemischen Reaktor ablaufen, sind im folgenden aufgeführt:

ZnSO₄ + H₂ Zn + H₂SO₄ + ^O₂ (1)

H₂O H₂ + lo₂ (2)

Zn + H₂SO₄ ZnSO₄ +H₃ (3)

Die beiden ersten Reaktionen erfolgen konkurrierend, und das ausgeprägte Vorherrschen der Reaktion (1), d.h. der Primärreaktion über die Reaktion (2) bestimmt die elektrische Ausbeute des Reaktors.

Die Wiederauflosungsreaktion (3) kann zufällig auftreten, wenn die Elektrizitätszufuhr unterbrochen wird. Die Reaktionen (2) und (3) können entweder aufgrund von chemischen Reaktionen, wie der unzureichenden Reinigung des Elektrolyten und/oder aus physikalischen Gründen, wie der Temperatur, auftreten.

Eine Wirkung bei der Entwicklung von Gas, sei sie eine "normale " Erzeugung von gasförmigem Sauerstoff nach der Reaktionsgleichung (1), oder eine "abnormale" Erzeugung von Wasserstoff nach den Reaktionen (2) und (3) ist die Bildung von sauren Nebeln.

Dieses Phänomen ist das Ergebnis der Bildung von winzigen Tröpfchen saurer Lösung, die insbesondere unter "abnormalen" Elektrolysebedingungen aus der Badoberfläche mitgeschleppt werden und von der Luft getragen in die Umgebung überführt werden.

Ein weiterer unerwünschter Effekt tritt auf, wenn die Arbeitsbedingungen "abnormal" sind,und führt zur Bildung von lokalen explosiven Gemischen.

Unter "normalen" Ansatzbedingungen, beträgt der Gehalt an Nebeln in einem Elektrolyse-Zellraum etwa wenige Milligramm pro Normal-Kubikmeter Luft, ausgedrückt als Schwefelsäure. Unter "abnormalen" Bedingungen, wird dieser Wert auf ausgeprägt höhere Werte angehoben.

Das Abstreifen der Zinkkathoden erfolgt zu vorbestimmten Zeitintervallen, im allgemeinen 24 bis 48 h und wird mechanisch durchgeführt. Dieser Arbeitsgang erfordert die Bereitschaft von Bedienungspersonal in der Nähe der Zellen, so daß das Bedienungspersonal der aggressiven Umgebung ausgesetzt wird.

Dieser Einfluß bringt bei langem Betrieb Veränderungen des Nasenseptums, des Rachenraums, der Zähne und im allgemeinen des Respirationstrakts mit sich.

Eine derartige Umgebung ist darüber hinaus aggressiv gegen-

über Vorrichtungen bzw. Maschinen, Werkzeugen und der Gebäudestruktur der Zellräume, so daß diese unter speziellen Vorkehrungen gebaut werden müssen.

Es wurde versucht, diese Nachteile zu überwinden durch Reinigung der Arbeitsumgebung durch zwangsweise Ventilation, mittels einer Gesamterneurung der Luft während fünf- bis zehnmal in einer Stunde. Diese Arbeitsweise bringt jedoch zahlreiche Nachteile mit sich, wie:

- die Erzeugung starker Luftströme,

- die Schwierigkeit der Luftklimatisierung, insbesondere für Installationen, die in kalten Umgebungen liegen, und

- eine beträchtliche Energieverschwendung.

Ein Ziel der Erfindung ist die Beseitigung dieser Nachteile, wodurch die Umweltverschmutzung in Elektrolyse-Zellräumen verhindert wird.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist der direkte Abzug von verunreinigenden Gasen unmittelbar bei deren Bildung.

Die Ziele und Gegenstände der Erfindung werden durch verbesserte elektrolytische Zellen erzielt, die im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert werden, die jedoch nur Beispiele sind, ohne eine Beschränkung darzustellen.

Die erfindungsgemäßen Elektrolysezellen bestehen aus einer Wanne, die mit Absaugsammelleitungen ausgerüstet ist, die durch die oberen Kanten der Wanne gebildet werden in einem Niveau unmittelbar über der freien Oberfläche des Elektrolyten. Diese Sammelleitungen weisen Absaugöffnungen auf, die direkt aus der Luftkammer, die über dem freien Niveau des Elektrolyten liegen, die Gase abziehen, die daraus ent-

wickelt werden. ·

In der Figur 1A wird als Diagramm der Querschnitt der Wanne •dargestellt, worin die Sammelleitungen 1 zusammen mit den öffnungen 2 angegeben sind, wie sie durch eine Erweiterung 3 des oberen Teils der Seitenwandung 4 gebildet werden.

Das Elektrolytniveau wird bei 5 gezeigt. Als Alternative kann die Sammelleitung an einer Seite der Wanne allein angeordnet sein. Durch 6 ist ein überlauf dargestellt.

In der Figur 1B wird die Wanne als Grundriß gezeigt.

Die Reihen von Anoden und Kathoden sind in die Wanne in alternierender Folge eingetaucht und stützen sich auf die Stützglieder, die an der Oberkante der Zelle vorgesehen sind. Die Zelle ist durch eine Reihe von Trennwänden bedeckt, die entlang der gesamten Anodenfläche befestigt sind und entsprechend der Zentrallinie der Zwischen-Anoden-Räume ausgeschnitten sind, entsprechend den Arbeitsstellungen der Kathoden.

Der so gebildete leere Raum bildet zusätzlich zur Ermöglichung der Entfernung und des Ersatzes der Kathoden zur Durchführung der Abzieh- bzw. Abstreifarbeitsgänge der abgeschiedenen Zinkschicht, einen Bezug, der geeignet ist für eine korrekte Ausrichtung und eine unmittelbare Begutachtung der Elektrodenanordnung.

Die Konfiguration bzw. Strukturweise der vereinten Elektrodenreihe ist in der Figur 2 dargestellt, worin 7 die Anoden und 8 die jeweilige Sammelschiene, die auf ihren Trägern eingesetzt ist, bedeutet, wohingegen 9 und 10 die Kathoden und ihre jeweilige Sammelschiene bedeuten.

Die Abschirmtrennwände sind durch 11 dargestellt. Sie sind an die Schienen 8 durch Federglieder 12 und/oder mit Schrauben 13 befestigt.

Die Trennwände bestehen vorzugsweise aus einem elastischen bzw. federnden Material, so daß sie ausreichend eng anliegen, wobei sie keine Behinderung für die Arbeitsgänge zur Bewegung der Kathode darstelllen. Die Trennwände können auch in anderer Weise befestigt sein, wie durch Bildung einer Reihe von Nuten bzw. Kerben durch die waagrechten oberen Flächen der Schienen 8, wobei die Trennwände 11 Vorsprünge aufweisen, die in solche Nuten passen. Die Anordnung sämtlicher Trennwände isoliert einen Raum über dem Elektrolyt und es wird so möglich, aus einem derartigen Raum das entwickelte Gas zusammen mit sauren Nebeln abzuziehen, die sich gleichzeitig damit über dem Elektrolyten gebildet haben.

Die Absaug-Sammelleitungen sind mit einem Hauptabsaugkanal verbunden, der seinerseits mit einem üblichen Ansaugsystem verbunden ist, das mit elektrischen Sauggebläsen und/oder Strahlsaugapparaten bzw. Turbinen aisgerüstet ist.

Die erfindungsgemäßen elektrolytischen Zellen ermöglichen es', die vorstehenden Nachteile auszuräumen, da der Abzug der sauren Nebel mit geringen Volumina an angesaugter Luft bewirkt wird und somit mit einem geringen Energieverbrauch, so daß die Belüftung des Zellraums kein Problem ist.

Die erfindungsgemäßen Zellen ermöglichen es darüber hinaus, falls gewünscht, eine mit Sauerstoff angereicherte Atmosphäre zu gewinnen. Die herausgezogenen Gase und Nebel können in die Atmosphäre durch einen Kamin in verdünntem Zustand dispergiert werden, so daß die Abgase unschädlich sind: als eine Alternative kann ein Gas-Verringerungs- oder Gas-Abscheide-System (gas-abating system) vorgesehen werden, das zumindest dann verwendet wird, wenn "abnormale" Reaktionsbedingungen auftreten.

Werden elektrische Sauggebläse verwendet, so sind solche bevorzugt, in denen die beweglichen Teile Anti-Explosions-Lager

aufweisen.

Der negative Druck bzw. Unterdruck, der zum Abziehen der ; Luft verwendet wird, die über dem Elektrolyten liegt, beträgt bis zu 15 mm Wassersäule. Dieser Wert korreliert mit der festen Dichtung, die durch die Trennbleche erzeugt wird, da zu niedrige absolute Werte des Unterdrucks keine entsprechende Evakuierung ergeben, wohingegen zu hohe Werte einen unnützen Luftzug durch die Ansaugöffnungen bewirken, wodurch die abgezogenen Gase verdünnt werden, ohne daß sich ein Vorteil ergibt, während ein höherer Energieverbrauch benötigt wird. Wird ein System zur Verringerung bzw. Abscheidung der abgezogenen Gase vorgesehen, so unterliegt das Absaugsystem einem zusätzlichen Druckabfall.

Zum besseren Verständnis der Bedeutung und der Vorteile der Erfindung, sind in der nachfolgenden Tabelle einige Arbeitsdaten aufgeführt, wie sie in einer Versuchszelle erzielt werden.

Ansatz- Bedingungen	Zusammensetzung der Atmosphäre innerhalb der Zelle	H₂-Gehalt . mg/nor.m	H₂SO₄-Gehalt mg/nor.m³
	Zunahme O- VoI-%	300	1/0
normal	+ 1,0	250	0,8
normal	+ 2,0	550	3,0
unregelmäßig	+ 2,0	700	7,0
unregelmäßig	+ 1,2	1000	15,0
unregelmäßig	+ 2,0	400	5,0
unregelmäßig	+ 3,0

Unter Beibehaltung eines Ansaugens von 150 nor.m während 1h in der Vorrichtung in der Innenkante der Wanne konnten keine feststellbaren Veränderungen der Zusammensetzung der Luft in dem Zellraum ermittelt werden.

Die erfindungsgemäßen Zellen können mit üblichen Materialien gebaut werden, wie überzogener oder geschützter Zement, widerstandsfähige Kunststoffmaterialien, wie verstärktes Polyvinylchlorid (PVC ) oder Harz-Glas. Luftöffnungen, Sammelleitungen und Ansaugausrüstungen können in den Zellkörper während der Herstellung eingearbeitet werden, oder sie können getrennt hergestellt und anschließend an der Zelle angewendet werden.

Im erstgenannten Fall jedoch wirken die Rippen, die von der Einführung derartiger Teile in die Struktur der Elemente resultieren, mit, die Stabilität und die Steifigkeit der Strukturen selbst zu erhöhen.

Die Ansaugsammelleitungen können auch die Trägerstruktur für die Elektroden bilden.

Eine Gesamtansicht der Anordnung wird in der Figur 3 dargestellt.

Eine mögliche Alternative für das Ansaugsystem mit negativem Druck bzw. Unterdruck ist das Unterdrucksetzen des gesamten Zellraums auf einen Wert leicht über dem Atmosphärendruck, so daß der Gastrom daran gehindert wird, aus dem Raum über dem Elektrolytenniveau in die Umgebung auszutreten, jedoch in derartiger Weise, daß der umgekehrte Strom von der Zellraumumgebung in den Raum über den Elektrolyten verhindert werden kann und somit der Strom zu den Sammelleitungen auch verhindert wird. Eine derartige Lösung, die zweifelsohne komplizierter ist, kann günstiger sein und somit bevorzugt sein für spezielle elektrochemische Verfahren in der Elektroplattierungsindustrie bzw. galvanischen Industrie.

Claims

Dr. F. Zumstein sen. - Dr. E. Assmann - Dr. R. Koenigsberger Dipl.-Phys. R. Holzbauer - Dipl.;lng...F. Klinsjseise,n - Pr. F. Zumstein jun. 8000 München 2 ■ BräuhausstraQe 4 ■ Telefon Sammel-Nr. 225341 ■ Telegramme Zumpat ■ Telex 529979 Gase 1304 Patentansprüche

1. Elektrochemische Zelle, enthaltend ein Elektrolyt-enthaltende Wanne und eine Reihe von Anoden und Kathoden, die in alternierender Folge angeordnet und in Serie verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälterwanne

. ausgerüstet ist mit Ansaug-Sammelleitungen, mit Ansaugöffnungen, zum Abziehen der Gase, die in dem Raum vorhanden sind, der unmittelbar über dem Elektrolytniveau liegt, und mit Abschirm-Trennwänden, die an den Anoden angeordnet sind, so daß ein transversaler Raum entsprechend der Lage der-Kathoden belassen wird, in dem die Kathoden selbst angeordnet sind, wobei die Trennwände die gesamte Anodenbreite und die Zellenbreite einnehmen, und mit einem Absaugsystem, das einen Unterdruck in den Sammelleitungen erzeugt, zum Abzug der Gase, die bei der elektrochemischen Reaktion entwickelt werden, zusammen mit den möglichen dadurch erzeugten Nebeln bzw. Dämpfen, wodurch ihre Diffusion in den Zellenraum verhindert wird.

2. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1 und insbesondere geeignet zur elektrochemischen Herstellung von Zink, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwände aus einem elasti-

sehen Material bestehen.

3. Elektrochemische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwände an den Anoden befestigt sind, so daß die Kathoden ohne Entfernen der Trennwände entfernt werden können.

4. Elektrochemische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansaug-Sammelleitungen und die jeweilige Reihe an Ansaugöffnungen entlang einer Längsachse angeordnet sind.

5. Elektrochemische Zellen gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansaugen der in dem Raum, der über dem Elektrolyten liegt, vorhandenen Gase bewirkt wird durch Unterdrucksetzen der Zellraumumgebung, unter einen Druck, der leicht über dem atmosphärischen Druck liegt.